فیزیکدانان امواج کوارک‌ها را در سوپ اولیه بیگ بنگ مشاهده کردند

در برخورد دهنده بزرگ هادرونی سرن در سوئیس، فیزیکدانان در حال بازسازی پلاسمای کوارک-گلوئون هستند تا مواد تشکیل‌دهنده جهان جوان را بررسی کنند. با برخورد دادن یون‌های سنگین با سرعتی نزدیک به سرعت نور، محققان می‌توانند کوارک‌ها و گلوئون‌ها را جدا کرده و مقدار کمی از همان ماده‌ای را تولید کنند که در نخستین میکروثانیه‌های جهان وجود داشت.

کوارک‌ها در پلاسمای اولیه ردپایی بر جای می‌گذارند

تیمی از سرن به رهبری فیزیکدانان MIT اکنون شواهد روشنی یافته است که کوارک‌ها هنگام عبور از این پلاسما، ردپایی ایجاد می‌کنند، درست مانند اردکی که هنگام حرکت در آب موج ایجاد می‌کند. این مشاهدات اولین شواهد مستقیم را ارائه می‌دهد که پلاسمای کوارک-گلوئون به ذرات متحرک سریع به عنوان یک سیال یکپارچه پاسخ می‌دهد و به جای رفتار به عنوان مجموعه‌ای از ذرات پراکنده به طور مستقل، امواج، پاشش‌ها و تلاطم ایجاد می‌کند.

"مدت زیادی است که در حوزه ما بحث است که آیا پلاسما باید به کوارک پاسخ دهد یا خیر"، ین-جیه لی، استاد فیزیک در MIT می‌گوید. "اکنون می‌بینیم که پلاسما به طرز باورنکردنی متراکم است، به طوری که قادر است سرعت کوارک را کاهش دهد و پاشش‌ها و تلاطم‌هایی مانند مایع ایجاد کند. بنابراین پلاسمای کوارک-گلوئون واقعاً یک سوپ اولیه است."

لی و همکارانش روش جدیدی برای تشخیص این ردپاهای کوارک ایجاد کرده‌اند. آن‌ها قصد دارند از این تکنیک بر روی داده‌های بیشتر برخورد ذرات برای یافتن نمونه‌های بیشتر و مطالعه آن‌ها با جزئیات بیشتر استفاده کنند.

با اندازه‌گیری اندازه ردپاها، سرعت حرکت آن‌ها، میزان گسترش آن‌ها و مدت زمانی که طول می‌کشد تا محو شوند، دانشمندان ممکن است بتوانند خواص مهم پلاسمای کوارک-گلوئون را تعیین کنند. این اندازه‌گیری‌ها همچنین می‌تواند سرنخ‌هایی در مورد نحوه رفتار پلاسما در نخستین میکروثانیه‌های پس از آغاز جهان ارائه دهد.

"مطالعه نحوه بازگشت امواج کوارک به عقب و جلو به ما بینش‌های جدیدی در مورد خواص پلاسمای کوارک-گلوئون می‌دهد"، لی می‌گوید. "با این آزمایش، ما در حال ثبت تصویری از این سوپ کوارکی اولیه هستیم."

همکاران این مطالعه اعضای همکاری CMS، گروهی در سراسر جهان از فیزیکدانان ذرات هستند که آزمایش‌ها را با استفاده از سلونوئید میونی فشرده (CMS)، یکی از آشکارسازهای چند منظوره ذرات در برخورد دهنده بزرگ هادرونی سرن انجام می‌دهند و تجزیه و تحلیل می‌کنند. محققان از آزمایش CMS برای شناسایی نشانه‌های ردپاهای کوارک در این مطالعه استفاده کردند. یافته‌های دسترسی آزاد در Physics Letters B منتشر شده است.

نخستین مایع جهان

گمان می‌رود پلاسمای کوارک-گلوئون نخستین مایع در جهان باشد. همچنین گرم‌ترین مایع شناخته شده بود که در طول وجود کوتاه مدت خود به دمای چند تریلیون درجه سانتیگراد می‌رسید.

دانشمندان همچنین QGP را به عنوان مایعی نزدیک به "کامل" توصیف کرده‌اند. در این حالت غیرعادی، کوارک‌ها و گلوئون‌های منفرد به نظر می‌رسند که با هم به عنوان یک سیال بسیار صاف با تقریباً هیچ اصطکاکی حرکت می‌کنند.

این درک از طریق آزمایش‌ها و مطالعات نظری متعدد به دست آمده است. یک مدل تأثیرگذار توسط کریشنا راجاگوپال، استاد فیزیک ویلیام A. M. باردن در MIT و همکارانش توسعه یافته است. این مدل که به عنوان مدل ترکیبی شناخته می‌شود، پیش‌بینی می‌کند که پلاسمای کوارک-گلوئون باید مانند یک سیال زمانی که ذرات پرانرژی از آن عبور می‌کنند، واکنش نشان دهد.

طبق این مدل، یک جت سریع از کوارک‌ها باید پلاسما اطراف را مختل کند و ردپایی از خود به جا بگذارد و باعث شود ماده موج‌دار و پاشیده شود.

فیزیکدانان سال‌هاست که به دنبال شواهدی از این ردپاها در برخورد دهنده بزرگ هادرونی و سایر شتاب‌دهنده‌های ذرات پرانرژی هستند. در این آزمایش‌ها، یون‌های سنگین مانند سرب با سرعتی نزدیک به سرعت نور شتاب می‌گیرند و با هم برخورد می‌کنند. این برخوردها به طور خلاصه قطرات کوچکی از ماده اولیه ایجاد می‌کنند که معمولاً کمتر از یک کوادریلیونیم ثانیه دوام می‌آورند.

محققان باید به طور موثری تصویری از آن لحظه زودگذر را ثبت کنند و از الگوهای حاصله ذرات برای بازسازی خواص پلاسمای کوارک-گلوئون استفاده کنند.

چرا ردپاهای کوارک دیدن آن دشوار بود

جستجوهای قبلی برای ردپاهای کوارک اغلب بر روی جفت‌هایی متمرکز بودند که از یک کوارک و یک "آنتی‌کوارک" تشکیل شده بودند. آنتی‌کوارک‌ها در مقابل کوارک‌ها هستند که خواص معینی با بزرگی یکسان اما علامت مخالف دارند.

هنگامی که یک کوارک به سرعت از پلاسما عبور می‌کند، ممکن است یک آنتی‌کوارک با همان سرعت در جهت مخالف تولید شود. بنابراین دانشمندان به دنبال جفت‌های کوارک و آنتی‌کوارک بودند و انتظار داشتند که هر دو ذره ردپاهای قابل تشخیصی در پلاسما اطراف ایجاد کنند.

این رویکرد یک مشکل بزرگ ایجاد کرد.

"وقتی دو کوارک تولید می‌کنید، مشکل این است که وقتی دو کوارک در جهت مخالف حرکت می‌کنند، یک کوارک ردپای کوارک دیگر را تحت الشعاع قرار می‌دهد"، لی می‌گوید.

لی و همکارانش دریافتند که ردپای یک کوارک منفرد بسیار راحت‌تر قابل شناسایی خواهد بود اگر کوارک دوم برای ایجاد اختلال همپوشانی وجود نداشته باشد.

"ما تکنیک جدیدی را کشف کرده‌ایم که به ما امکان می‌دهد اثرات یک کوارک منفرد در QGP را از طریق جفت ذرات دیگری ببینیم"، لی می‌گوید.

استفاده از بوزون‌های Z به عنوان برچسب ردپا

به جای جستجوی جفت‌های کوارک و آنتی‌کوارک پس از برخورد یون‌های سرب، محققان به دنبال رویدادهایی بودند که در آن یک کوارک در جهت تقریباً مخالف یک "بوزون Z" حرکت می‌کرد.

بوزون Z یک ذره بنیادی خنثی است که با نیروی ضعیف مرتبط است. تعامل بسیار کمی با پلاسما اطراف دارد و آن را به یک نقطه مرجع تمیز تبدیل می‌کند. بوزون‌های Z همچنین در یک انرژی متمایز ظاهر می‌شوند که شناسایی آن‌ها را برای فیزیکدانان نسبتاً آسان می‌کند.

"در این سوپ پلاسمای کوارک-گلوئون، کوارک‌ها و گلوئون‌های متعددی وجود دارند که از کنار هم عبور می‌کنند و با یکدیگر برخورد می‌کنند"، لی توضیح می‌دهد. "گاهی اوقات وقتی خوش شانس باشیم، یکی از این برخوردها یک بوزون Z و یک کوارک با تکانه بالا ایجاد می‌کند."

هنگامی که چنین برخوردی رخ می‌دهد، کوارک و بوزون Z باید در جهت مخالف یکدیگر پرواز کنند. کوارک می‌تواند پلاسما را مختل کند و ردپایی ایجاد کند، در حالی که بوزون Z باید بدون تأثیر قابل توجهی بر ماده اطراف از آن عبور کند.

این بدان معناست که هرگونه موجی که در سمت کوارک ظاهر شود را می‌توان مستقیماً به کوارک نسبت داد.

با همکاری گروه پروفسور یی چن در دانشگاه وندر بیلت، محققان دریافتند که می‌توانند از بوزون‌های Z به عنوان یک "برچسب" برای مکان‌یابی و اندازه‌گیری ردپاهای ایجاد شده توسط کوارک‌های منفرد استفاده کنند.

ردپاها در میان میلیاردها برخورد یافت شدند

تیم داده‌های برخورد یون‌های سنگین در برخورد دهنده بزرگ هادرونی را تجزیه و تحلیل کرد. در میان 13 میلیارد برخورد، حدود 2000 رویداد را شناسایی کردند که در آن یک بوزون Z تولید شده بود.

برای هر یک از این رویدادها، محققان نحوه توزیع انرژی در سراسر پلاسمای کوارک-گلوئون کوتاه مدت را ترسیم کردند. آن‌ها به طور مکرر الگوهای شبیه به مایع پاشش و تلاطم را در جهت مخالف بوزون Z یافتند.

از آنجایی که خود بوزون Z به سختی با پلاسما تعامل دارد، محققان می‌توانستند این الگوهای ردپا را مستقیماً به کوارک‌های منفرد که از ماده عبور می‌کنند نسبت دهند.

ردپاهای مشاهده شده همچنین با پیش‌بینی‌های مدل ترکیبی راجاگوپال مطابقت داشت. نتایج نشان می‌دهد که پلاسمای کوارک-گلوئون واقعاً مانند یک سیال به طور جمعی زمانی که ذرات پرانرژی از آن عبور می‌کنند، واکنش نشان می‌دهد.

"این چیزی است که بسیاری از ما برای سال‌های متمادی استدلال کرده‌ایم که باید وجود داشته باشد و آزمایش‌های زیادی به دنبال آن بوده‌اند"، می‌گوید راجاگوپال که مستقیماً در مطالعه جدید دخیل نبود.

"ما اولین شواهد را به دست آورده‌ایم که کوارک با حرکت خود پلاسمای بیشتری را با خود می‌کشد"، لی اضافه می‌کند. "این به ما امکان می‌دهد خواص و رفتار این سیال عجیب و غریب را با جزئیات بی‌سابقه‌ای مطالعه کنیم."

این کار تا حدی توسط وزارت انرژی ایالات متحده حمایت شده است.